論高壓變頻器在煉油裝置中的應用

摘要：由于現代化生產規?；牟粩鄶U大，各類大功率高壓電動機廣泛應用于生產中，高壓電動機的節能技術和生產工藝調速又是生產中關鍵的問題。隨著近年晶閘管（絕緣柵雙極功率晶體管—IGBT、門控晶閘管—IGCT以及電力加強注入型絕緣柵極晶閘管—IEGT）技術的發展，高壓變頻器已普及于工礦企業生產中。本文以我公司原料進料泵電動機的高壓變頻器為例，對高壓變頻器在實際生產中的應用進行初步分析。

關鍵詞：高壓變頻器、晶閘管、高壓電動機、原料進料泵、節能降耗

1.前言

我公司裝置原料進料泵電動機為355kW/10kV 2極三相異步電動機，平時運行負荷較小，流量主要靠閥門控制，不僅難以控制流量，而且浪費了電能，同時因閥門開度較小，泵內壓力較大而不可避免的對泵造成損傷。為了提高機組穩定性及節能降耗要求，經調研和論證，對裝置原料進料泵進行了變頻器改造，運行平穩、節能效果明顯。

2.現場系統情況

現場進料泵采用355kW/10kV電動機傳動，工頻運行時采用閥門調節方式滿足工藝要求的壓力和流量。電動機啟動采用直接啟動方式。

設備工頻運行方式將存在以下幾個問題：

電能的嚴重浪費。由于工頻運行的電動機轉速不可調節，只能通過改變閥門開度進行流量、壓力調節，因此造成能源浪費，增加了生產成本。

為了現場安全穩定生產，減少設備的維護量，提高能源的利用率，現制定現場設備高壓變頻改造節能方案如下。

3.高壓變頻改造方案

3.1主回路系統方案

現場設備可以采用一拖一自動旁路，采用一臺變頻器控制一臺電動機變頻運行，電動機可以變頻運行也可以通過旁路方式工頻運行，工頻運行和變頻運行可以根據現場需要切換；

一拖一自動系統旁路方案

圖1  一拖一自動旁路

基本原理：它是由3個高壓真空接觸器KM1~KM3和2個高壓隔離開關QS1和QS2組成（如圖1）。要求KM1、KM2不能和KM3同時閉合，在電氣上實現互鎖。變頻運行時，KM1和KM2閉合，KM3斷開；工頻運行時，KM3閉合，KM1和KM2斷開。

詳細介紹：

1、主回路用真空接觸器實現通斷，隔離開關實現檢修隔離。

2、進線端裝有高壓帶電顯示裝置；

3、外加輸入、輸出端子；分別有KM1、KM2、KM3及工頻、變頻的狀態指示。

3.2控制系統方案

現場設備變頻調速系統可由現場DCS監控操作系統進行協調控制，根據運行工況按設定程序，實現對負載設備電動機轉速控制。

變頻系統和現場DCS監控操作系統進行通訊連接，從現場DCS監控操作系統上發出變頻器的啟動、停機等信號。變頻器反饋以下信號接入到現場監控操作系統上：

1、報警及故障信息：重故障報警、輕故障報警；

2、調速裝置的狀態信息：待機狀態、正常運行狀態、故障狀態、系統旁路狀態；

3、電動機電流、轉速、電壓等。

具體控制接口情況如下：

（一）變頻器提供的開關量輸出，采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220V/3A，DC24V/1A。

（二）變頻器提供的2路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負載能力均為250Ω。

（三）現場提供1路4～20mADC二線制電流源輸出，帶載能力必須大于250Ω，4～20mADC對應低高限，須呈線性關系。

（四）需要提供給變頻器的開關量有3路：

1、啟動指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器開始運行。

2、停機指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器正常停機。

3、緊急停機指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器緊急停機。

（五）變頻器與其他電氣設備接口

高壓開關柜給變頻器的狀態信號1路：高壓開關處于分斷時，輔助節點閉合；1個。

3.3電氣安裝方案

電氣安裝主要包括柜體到現場的輸入輸出高壓電纜、柜體之間的連接線、柜體和現場的控制及信號線的配線。

3.3.1電源及電動機線的連接。

輸入電源線連接到端子L1、L2、L3；

電動機線連接到U、V、W，并注意相序關系；

確保輸入電壓滿足要求；

確保電源線的線徑及耐壓滿足要求；

確保輸入側高壓開關已經采用了有效的防雷措施；

3.3.2控制線的連接。

控制柜連線主要包括控制電源進線、遠程控制接線、檢測信號線、模擬量輸入線、模擬量輸出線、現場狀態接線、開關量輸出接線。如果用戶有特殊要求，可以根據用戶需求重新配置。

3.3.3電氣安裝注意事項。

輸入和輸出的高壓電纜必須經過嚴格的耐壓測試；

輸入和輸出電纜必須分開配線，防止絕緣損壞造成危險；

現場到變頻器的信號線，應該與強電電線分開布線，信號線必須采用絞線的方式，最好采用屏蔽線，屏蔽線的一端可靠接地；

現場需確保變頻器柜體和廠房大地的可靠連接，保證人員安全；

設備進行電氣安裝時，應為控制系統埋設專用接地極；

測量變壓器的絕緣電阻及進行工頻耐壓試驗之前，必須斷開變壓器和功率單元。

4.現場高壓變頻調速系統構成及特征

4.1變頻設備技術參數

4.2變壓器柜

輸入移相變壓器的作用是將輸入的高壓工頻電變換成為多組彼此間相互絕緣、電位獨立的低壓工頻電輸出，并分別送到各個變頻單元中，各變頻單元將輸入的各組低壓交流電分別經整流濾波變換成直流電然后再逆變成單相交流電。

為了確保整個高壓變頻調速系統的穩定性，不會因為變壓器的故障而受到影響，控制系統為變壓器提供了相應的測量和保護項目：

（一）變壓器配封閉強迫風冷系統，特點：風量大、能耗小、噪聲低、外形美觀、安裝簡便、運行可靠，通過該系統，操作人員可隨時了解變壓器運行溫度，還可以設定控制器溫度轉折點，超溫報警，超溫跳閘等。

（二）溫度保護采用三路巡檢溫度控制器，可以輸出溫度輕度過溫和嚴重過熱保護。具有就地和遠方超溫報警功能。

（三）變壓器柜內裝設了電壓、電流檢測器件，高壓變頻調速系統把相關電壓檢測融入到了功率單元柜的功率單元中，極大限度的減少了日常維護的工作量和縮小了整個設備的體積。

4.3功率單元柜

（一）功率單元柜是高壓變頻調速系統中非常重要的執行部件，功率單元采用模塊化的設計，每一個功率單元可以從機架上非常方便的抽出，移動和更換，所有功率單元是完全一致的，如果某一單元由于故障而不能正常工作，可以在允許設備退出的時間用備用單元將其替換，更換一個單元的時間只需5分鐘，無須專用工具。

（二）采用成熟的逆變技術，功率單元柜中每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。每個功率單元直接使用大功率功率器件，器件不必串聯，不存在器件串聯引起的均壓問題，結構上完全一致，可以互換，系統為基本的單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，IGBT逆變橋的控制方式為PWM控制。

功率單元中的主要元器件均采用進口優質品牌，大批量的生產保證了生產所用的元器件可以從外國廠家或大的貿易代理商直接定貨，在器件采購管理上以及進口渠道上，保證器件的質量。所有的板級產品為我公司自行開發和生產，大批量的生產保證了所有的板級產品（每批次上百片）可以采用先進的機器焊接技術來生產，使得產品的質量和可靠性有了保證，用戶也永遠不用擔心備件會停產和供貨周期。

（三）采用單元串聯多電平技術，根據電壓等級不同采用級數不同的解決方案，通過每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電動機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，得到非常好的PWM波形，dv/dt小，可減少對電纜和電動機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以輸出電纜長度很長，電動機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電動機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉輪的機械力。

4.4控制柜

控制柜是整個高壓變頻調速系統的核心，變頻調速系統的所有功能都基于先進的控制理念才得以實現，控制器精心設計的算法可以保證電動機達到最優的運行性能。人機界面提供友好的全中文監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制?？刂破鬟€包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號(支持DCS硬連接/RS485/Profibus/Modbus/以太網等)的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，增強了系統的靈活性?？刂破鹘Y構上采用VME標準箱體結構，各控制單元板采用FPGA、CPLD等大規模集成電路和表面焊接技術，系統具有極高的可靠性?？刂破髋c功率單元之間采用光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。采用溫度檢測模塊可以隨時監控高壓變頻器各個部位溫度。變頻器控制系統各部件間的相互連接關系如下圖：

控制柜內部元件采用DIN 導軌安裝，柜內元器件的布置充分考慮了散熱要求、相互之間的間隔距離、整齊美觀以及方便檢修等因素；所有布線都充分考慮電磁兼容的要求，信號線與電源線分開布置，保證安全的運行，控制柜的主要特點和相關技術參數如下所述：

（一）控制柜內所有元器件的正常工作離不開控制電源，主要提供的供電種類有以下幾種：一路交流供電、一路直流供電、雙路交流供電、一路交流+一路直流供電。

（二）變頻調速系統用于處理各種柜內開關量邏輯信號、用戶控制系統信號、現場各種狀態信號的控制器選用了西門子的PLC 系統。（（一）、高壓變頻器的控制系統標準接口圖如下：

4.5高壓變頻調速系統的特點

我公司所用的合康億盛高壓變頻器各功能模塊的特點：

1、輸入側的隔離變壓器能保護電動機不受共模電壓的影響。

2、逆變器側采用高開關頻率的IGBT器件，保證良好的輸出波形。

3、變頻器的功率單元為模塊化設計，可以從機架上抽出，移動和更換，所有功率單元是完全一致的，如果某一單元由于故障而不能正常工作，可以在允許設備退出的時間用備用單元將其替換。即：在變頻停機高壓切斷的情況下，拔掉故障單元的J1、J2兩根光纖頭；用扳手卸下故障單元的R、S、T、U、V五根連線；拆下故障單元與軌道的固定螺絲；將故障單元輕輕拿下，按拆卸相反的順序將備用單元裝上并接好即可。更換一個單元的時間只需5分鐘。更換單元不須專用工具。

4、整個變頻系統采用強迫風冷，冷卻系統可靠，平均無故障時間≥變頻裝置本身，每一套冷卻裝置拆裝方便，滿足變頻裝置的安全可靠地運行。

4.6保護功能

（一）過載保護。電動機額定電流的120%，每10分鐘允許1分鐘，超過則保護。

（二）過流保護。變頻器輸出電流超過電動機額定電流的150％，3S保護；額定電流200%，在10微秒內保護。

（三）過壓保護。檢測每個功率模塊的直流母線電壓，如果超過額定電壓的115%，則變頻器保護。此保護實際上包括了對電網電壓正向波動的保護。

（四）欠壓保護。檢測每個功率模塊的直流母線電壓，如果低于欠壓保護定值，則變頻器保護。此保護實際上包括了對電網電壓負向波動的保護。

（五）過熱保護。包括兩重保護：在變頻調速系統柜體內設置溫度檢測，當環境溫度超過預先設置的值時，發報警信號；另外，在主要的發熱元件，即整流變壓器和電力電子功率器件上放置溫度檢測，一旦超過極限溫度（變壓器130℃、功率器件80℃），則保護。

（六）缺相保護。缺相保護設置在每個功率模塊上。當變頻器輸入側掉相系統發出報警信號,并保護；功率模塊的保險熔芯熔斷缺相時，系統會發出報警信號。

（七）光纖故障保護。當控制器與功率模塊之間的連接光纖出現故障時，會發出報警信號并保護。

以上故障，均在中文用戶界面上指定故障確切位置，便于用戶采取應對措施。

5變頻調速節能分析及計算

5.1現場設備數據

（一）現場技術數據： 

（二）年運行時間： 330×24=7920

（三）電價： 0.7元/kW·H

5.2工頻狀態下耗電計算

Pd：電動機功率 ； ⁿd：電動機效率 ； U：電動機輸入電壓 ；I：電動機實際運行電流 ；cosφ：功率因子。                        

    Pd = ×U×I×cosφ

然后將電動機實際工頻下運行的電流及各工況點運行時間比代入上面的公式，得出電動機工頻狀態下的功率Pd

5.3變頻狀態下年耗電量計算

水泵類負載的運行特性及管路性能曲線的繪制與計算：Pd’：電動機軸功率 ； P′：水泵軸功率 ；：電動機效率 ；：變頻器實際效率 ；Q：泵出口流量 ；H：水泵出、入口壓力差。

水泵設備屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。通過水泵數據，依據公式可依次求得水泵在采用變頻調速運行時對應的水泵總功耗 。

另有，電動機效率與電動機負荷率β之間的關系如圖所示。

變頻器的效率與電動機負荷率β之間的關系如圖所示。

綜合考慮到電動機效率和變頻器的效率，

則網測功率損耗

節電率 =

經計算，可得下表：

5.4實際應用節能分析

工頻運行參數取自原4月份開工時電動機運行參數。變頻運行參數取自現在運行參數。

原料進料泵運行參數對比：

（一）每小時節約用電:301-129=172kW

（二）年運行時間 300天×24=7200小時，電價按 0.5997元/kW·H計

（三）每年節約電費：172×0.5997×7200= 742668.48元，即每年節約電費74.2余萬元

注：投資兩臺高壓變頻約120萬元，大約使用兩年收回投資。

6.應用高壓變頻調速系統產生的其他效果

1、維護量減少。采用變頻調速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調整轉速使系統運行在工藝要求的狀態下工作。

2、提高設備的使用壽命，大大降低維修費用以及時間。

3、工作強度降低。變頻調速系統可由主控系統進行協調控制，根據運行工況按設定程序，實現對負載電動機轉速自動控制。大大降低了勞動強度，提高了生產效率，為優化運營提供了可靠保證。

4、減少了對電網的沖擊。采用變頻調節后，系統實現軟啟動，電動機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電動機機械損傷，有效的延長了電動機的使用壽命。

5、提高功率因數。電壓源型變頻器功率因數可達0.96,采用變頻調速系統后，無需無功補償裝置就能滿足電網要求。不但提高了廠變及其它相關電氣設備的利用率、而且節約了線路能量損失，節約了經費，可謂一舉多得。

6、完善的故障診斷和保護功能。變頻器具備對電動機和變頻器本身完善的保護功能，如過熱、過載、過流、過壓、缺相、接地等，從而避免設備在不正常狀態下長時間運行，保證設備不至于損壞。并且，故障信息可以準確地指示故障點，變頻器使用說明書中還有引起故障的原因及排除故障的措施，極大地方便了維護人員排查故障。

作者簡介

劉海鵬（1978.10-）高級工程師 山東明宇化學有限公司的電氣項目負責人，研究方向：自動控制。